Conception d'hydrogel biosourcé biodégradable à partir d'acide itaconique : De la synthèse aux propriétés

Design of biobased biodegradable hydrogel derived from itaconic Acid monomer: From synthesis to properties

• Auteur / Autrice : Hiam Abou khachfe
• Direction : Alba Marcellan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Mots clés

Mots clés libres

Synthèse des polymères

Hydrogels

Propriétés mécaniques

Matériaux durables

Biodégradable

Biosourçage

Polymer synthesis

Hydrogels

Mechanical properties

Sustainable materials

Bidegradable

Biobased

Résumé

Les hydrogels sont des réseaux de polymères réticulés 3D, qui peuvent absorber et retenir une grande quantité d'eau. Grâce à leur bonne biocompatibilité, les hydrogels synthétiques ont été largement étudiés pour les applications d'ingénierie tissulaire et de biomédecine. Dans un contexte mondial de préservation des ressources et de production de matériaux à faible impact environnemental, les gels ouvrent des pistes pour la conception rationnelle et efficace de polymères synthétiques à hautes performances. Des efforts récents ont été consacrés à un réglage fin de leurs réponses macroscopiques (gonflement et propriétés mécaniques) en utilisant des architectures macromoléculaires intelligentes. La plupart de ces hydrogels sont à base de pétrole et non dégradables. Souvent, les hydrogels biodégradables sont fabriqués à partir de polymères biosourcés de haut poids moléculaire (comme le collagène, le chitosane, l'alginate, l'amidon, la cellulose, etc.) qui rendent difficile le contrôle et l'ajustement de leurs architectures. Dans ce contexte, la conception de réseaux de copolymères amphiphiles semble prometteuse, c'est-à-dire que les segments hydrophobes peuvent agir comme des domaines de renforcement tandis que la rétention d'eau est assurée par des fractions hydrophiles. Dans ce projet, nous visons à développer des hydrogels entièrement bio-sourcés et biodégradables à base d'un analogue d'acrylate : l'acide itaconique (extrait des champignons Aspergillus terreus) en tant que réseau de polymères renforcés par la cristallisation de stéréocomplexes (SC) entre polymères hydrophobes. Les configurations complémentaires apparaissent évidemment comme la clé pour améliorer fortement les interactions intermoléculaires. Dans ce travail, une attention particulière sera portée sur l'efficacité de la cristallisation hydrophobe du SC sur le renfort. Dans un premier temps, différentes briques biosourcées dialcools/acide dicarboxylique seront utilisées pour synthétiser des polyesters issus de ressources renouvelables afin d'être greffés sur le squelette poly(acide itaconique) hydrophile. Ensuite, des polylactides hydrophobes énantiopurs biodégradables (PLA) seront fabriqués sur mesure en utilisant des initiateurs dérivés d'hydroxy acrylate et des polymérisations par ouverture de cycle hautement actives nécessaires pour offrir des conditions douces et des microstructures bien définies. Nous travaillerons à renforcer les hydrogels en jouant sur la force de l'interaction hydrophobe du polyester dans l'eau comme liaison physique secondaire de réticulation. Ainsi 3 étapes sont envisagées dans l'élaboration de la thèse : 1) La synthèse de co-réseaux à base de poly(acide itaconique) avec une série de greffons polyester hydrophobes ; 2)Après avoir sélectionné le système le plus prometteur, la structure des gels sera étudiée par des méthodes de diffusion (SAXS); 3) Analyse de la réponse mécanique (comportement sous petites et grandes déformations) et évaluation du processus de dégradation.

Hydrogels are 3D cross-linked polymer networks, which can absorb and retain large amount of water. Thanks to their good biocompatibility, synthetic hydrogels have been extensively studied for tissue engineering and biomedicine applications. In a global context of preservation of resources and production of materials with low environmental impact, gels open tracks for the rational and efficient design of high performance synthetic polymers. Recent efforts have been devoted to a fine tuning of their macroscopic responses (swelling and mechanical properties) by using smart macromolecular architectures.Most of these hydrogels are petroleum based and not degradable. Often, biodegradable hydrogels are made from biosourced high molecular weights polymers (as collagen, chitosan, alginate, starch, cellulose, etc.) that make difficult to control and tune their architectures. In that context, the design of amphiphilic copolymers networks seems promising, i.e. hydrophobic segments may act as reinforcing domains while water retention is ensured by hydrophilic moieties. In this project, we aim to develop fully bio-sourced and biodegradable hydrogels based on an acrylate analog: itaconic acid (extracted from Aspergillus terreus fungi) as polymer network reinforced by stereocomplex (SC) crystallization between hydrophobic polymers. The complementary configurations obviously appear to be the key to highly improve intermolecular interactions. In this work, special focus will be paid on the efficiency of hydrophobic SC crystallization on the reinforcement. In a first step, various bio-based building blocks dialcohols/dicarboxylic acid will be used to synthesize renewable resource-based polyesters in order to be grafted on the hydrophilic poly(itaconic acid) skeleton. Then, hydrophobic enantiopure biodegradable polylactides (PLA) will be tailor-made by using an hydroxy acrylate derivated initiators and highly active ring-opening polymerizations needed to afford soft conditions and well-defined micro-structures. We will work at reinforcing the hydrogels by playing with the strength of polyester hydrophobic interaction in water as a secondary physical crosslinking junctions. Thus 3 steps are considered in the development of the thesis: 1) The synthesis of co-networks based on poly(itaconic acid) with a series of hydrophobic polyester grafts; 2)After selecting the most promising system, the structure of the gels will be studied by scattering methods (SAXS); 3) Analysis of the mechanical response (behavior under small and large deformations) and evaluation of the degradation process.